蜂窩物聯網部署研究及其在5G網絡下的關鍵技術

王浩年 王家旭 劉冰婷

【摘要】? ? 隨著智能城市、大數據時代的到來，無線通信將連接萬物。伴隨著5G技術的發展與5G網絡的大規模部署，“萬物互聯”的時代也即將來臨。蜂窩物聯網（cellular Internet of things）主要接入方式為蜂窩通信網絡，是物聯網的重要組成，包括現已廣泛商用的基于2G、3G、4G的物聯網，以及正在部署商用的窄帶物聯網（NB-IoT，narrow band IoT）和增強機器類通信（eMTC，enhanced machine-type communication）。

【關鍵詞】? ? 蜂窩物聯網? ? eMTC? ? NB-IoT? 5G

序言

蜂窩網絡（Cellular network）經過多年的發展與建設，現在已經成為各國移動通信網絡架構的基礎，其特點是覆蓋范圍廣泛，通信安全可靠性高。

根據高通公司的預測，預計到2025年，全球物聯網連接數量將突破50億。從可穿戴智能設備到智能抄表、從遠程醫療到車聯網，物聯網將涵蓋智慧城市、智慧交通、智慧農業、智慧醫療等生活的方方面面。海量的智能終端設備將會接入網絡，而蜂窩網絡將成為物聯網的主要承載網絡。

一、蜂窩物聯網技術現狀

蜂窩物聯網的網絡結構包括物聯網終端、網絡、控制平臺和應用等四個層面，與傳統物聯網體系架構保持一致，如圖2.1所示。

終端是指能夠通過無線方式接入到蜂窩網絡的各種無線物聯網設備，比如車載聯網設備、小型化的無人飛機、智能醫療裝置設備、工業使用智能機器人、無線監控設備、可穿戴設備等等。

網絡是指2G、3G、4G、5G等蜂窩網以及其他接入網。

平臺是指移動、聯通、電信、廣電的運營商網絡平臺，以及其他可以提供物聯網服務的網絡平臺。

應用是指各種使用物聯網技術的軟件應用程序，例如“智慧城市”、“智慧交通”、“智慧醫療”、“智慧家庭”、“智能電網”等領域。

二、蜂窩物聯網部署方案

根據NB-IoT和eMTC的新特性以及現網能力制定部署方案，同時也要考慮未來網絡、技術、功能的演進需求。NB-IoT網絡對LTE的部分功能進行了簡化，在接入、傳輸、優化、服務等方面增加了新的功能;相比eMTC網絡不但沒有把LTE網絡功能進行削減，而且還在功率、協議、服務等方面新增了部分功能。對于已商用的2G、3G、4G的 IOT網絡已經在核心網部署了與蜂窩物聯網相關的網元，同時也部署了本地位置的寄存器、HSS及PGW等節點。

NB-IoT、eMTC和LTE-4G的主要技術特征及典型應用場景如表1所示。

2.1 現網升級方案

根據NB-IoT與eMTC不同的技術特性，只需要升級核心網，即可快速完成蜂窩物聯網的相關業務需求部署。首先，需要部署的有計費策略、PGW、HSS、核心網功能以及原有網絡的升級等。其次，在LTE核心網中部署新的MME和SGW網元功能，供用戶升級。

2.2 獨立部署方案

NB-IoT的架構和功能更適合新建數據通信網絡，新建數據通信網絡不會對現有LTE網絡業務造成影響，與此同時可以使用開放更多的新應用、新業務、新能力。新建數據通信網絡既可以使用傳統設備，也可以實施網絡功能的虛擬化。

虛擬化MME （vMME）和虛擬化SGW（vSGW）以解耦模式部署，其更適合后續演進。

2.3 演進方案

根據現網情況對上述2種方案進行選擇。在蜂窩物聯網面向5G網絡的演進升級過程中可從下面3個階段進行考慮：

第一，對于部分業務領域，尤其是對于有NFV運營經驗的領域，使用虛擬化技術，能夠實現設備的軟硬件解耦，從而構建虛擬化MME和虛擬化SGW，C-SGN則可通過虛擬化來實現。

第二，以NFV為基礎，完成其與LTE網絡、5G網絡等虛擬化基礎網絡的共享，以網絡切片（Network Slicing）的方式部署邏輯上獨立、隔離的蜂窩式物聯網核心網絡，并提供開放的網絡能力，進而實現可基于業務特點對蜂窩物聯網切片的架構進行調整的能力。

第三，運用大數據的分析及相關工具，引入AI智能技術（AI，Artificial Intelligence），實現網絡自部署、業務自生成、二者同步優化的智能化、開源、開放的蜂窩物聯網創新與服務平臺。

物聯網的發展離不開長久以來開放的網絡架構，各種新技術的不斷引入也使物聯網迅速演進。蜂窩物聯網向5G網絡的技術演進，同樣離不開關鍵技術的快速應用。以下將分析在5G網絡下蜂窩物聯網的一些關鍵技術。

三、5G 蜂窩物聯網關鍵技術

3.1 網絡架構

隨著物聯網接入方式的多樣化，以及云計算、霧計算、邊緣計算等技術的發展，基于5G網絡下的蜂窩物聯網的架構也逐漸明晰。

網絡架構分離了邊緣資源層及傳輸層，解耦了服務管理層及應用層，如圖2所示。

3.2 NFV

NFV（即網絡功能虛擬化，Network Functions Virtualization）可將傳統的CT業務部署至云平臺上，從而實現軟硬件解耦合。云平臺可以承載CT與IT應用。

在蜂窩物聯網中，NFV作為虛擬體系結構的一部分，與VNF和MANO兩部分并行。在NFVI中，將COTS硬件資源池通過虛擬化層的映射轉化為不同業務需求的虛擬資源后，再利用虛擬機、容器等軟件最終生成vC-SGN。MANO負責網絡服務安排、資源管理、VNF生命周期管理、性能和故障管理。

3.3 SDN

SDN（軟件定義網絡，Software Defined Network），為了達到流量靈活有效控制，通過把網絡設備的控制面同數據面進行分離，讓網絡變成更加智能的管道，為核心網絡及應用的創新提供了良好的平臺。

在蜂窩物聯網中，SDN技術為回程網絡的傳輸控制提供了支持。SDN技術通過接入5G核心網，與AMF、PCF、SMF等功能單元協同，實現轉發面端到端的流量控制。

3.4 MEC

MEC（即邊緣云，Multi-access Edge Computing）作為5G的關鍵技術，將計算和存儲能力下沉到更貼近用戶業務的位置，物聯網終端除了通信和數據采集之外的其他功能都可以轉移到邊緣云平臺上實現。

同時，利用5G網絡的大傳輸管道帶寬能力，將相關數據及時傳輸到MEC進行相應處理。由于應用向上轉移到了邊緣云平臺，網絡就可以通過更為強大的數據處理能力使應用部署的更為快速、靈活，這都將成為未來5G蜂窩物聯網應用的一個應用方向。

四、結語

本文在分析了蜂窩物聯網網絡架構的基礎上，分析了蜂窩物聯網的部署方案及技術特征，以及技術演進的方向。結合5G網絡的技術特點，分析了蜂窩物聯網在5G網絡下的關鍵技術，為未來5G網絡下的蜂窩物聯網提供了技術參考。

參? 考? 文? 獻

[1]3GPP.RevisedWorkItem：NarrowbandIoT（NB-IoT）：3GPPRP-152284[S].3GPP，2015

[2]孫彪，移動運營商NB-IoT 部署策略探討，移動通信，2016，40（ 23） ： 11-16.

[3]張旭，淺談物聯網形勢下的5G 技術發展，科技創新導報，2018，15（29）：112.